Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas en Nankai University in China heeft een nieuwe technologie voor koeling ontdekt die gebaseerd is op het draaien en losdraaien van vezels.

In onderzoek gepubliceerd in het 11 oktober nummer van het tijdschrift Wetenschap , ze demonstreerden op twist gebaseerde koeling met materialen zo divers als natuurlijk rubber, gewone vislijn en nikkel titanium draad.

"Onze groep heeft aangetoond wat we 'twistocalorische koeling' noemen door de twist in vezels te veranderen. We noemen koelers die twist-changes gebruiken voor koeling 'twist koelkasten, '" zei dr. Ray Baughman, directeur van het Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute aan de UT Dallas. Baughman is een corresponderende auteur van de studie, samen met Dr. Zunfeng Liu, een professor in het State Key Lab of Medicinal Chemical Biology in het College of Pharmacy aan de Nankai University in Tianjin.

De zoektocht naar nieuwe technologieën

Volgens het International Institute of Refrigeration, koeling en airconditioning verbruiken ongeveer 20% van de wereldwijde elektrische energie. Conventionele koelkasten geven ook gassen af ​​die aanzienlijk bijdragen aan de opwarming van de aarde.

Nu het verbruik blijft groeien, vooral vanwege de toenemende behoeften van ontwikkelingslanden, onderzoekers onderzoeken alternatieve koeltechnologieën om de koelefficiëntie te verhogen, lagere kosten en kleinere afmetingen.

Het uitrekken van een rubberen band verwarmt het rubber, en het loslaten van de rek koelt het af:dit wordt elastocalorische koeling genoemd. Andere vaste stoffen voor koeling zijn elektrocalorische en magnetocalorische materialen, die afkoelen via veranderingen in elektrische en magnetische velden, respectievelijk.

"Dit elastocalorische gedrag van natuurlijk rubber is al sinds het begin van de 19e eeuw bekend. Maar om hoge koeling te krijgen van een rubberen band, je moet een heel groot stuk loslaten, " zei Baughman. "Met twistocalorische koeling, we ontdekten dat je alleen maar twist hoeft los te laten."

de experimenten

De onderzoeksteams van Baughman ontwikkelden eerder kunstmatige spieren die zijn gemaakt door vezels strak te draaien en op te rollen, variërend van koolstof nanobuisgarens tot gewone nylondraad en polyethyleen vislijn.

In het huidige werk de wetenschappers spanden rubbervezels, draaide ze vervolgens totdat ze niet alleen opgerold waren, maar ook supercoiled. Het snel loslaten van de twist resulteerde in een afkoeling van de oppervlaktetemperatuur van 15,5 graden Celsius. Het loslaten van zowel de twist als de rek van het rubber produceerde een nog hogere koeling van 16,4 graden Celsius.

De twistocalorische koeling werkte ook voor vislijnen. De onderzoekers brachten een twist in een niet-elastische polymeervislijn totdat zich spoelen vormden. Het uitrekken van de opgerolde vezel veroorzaakte verwarming, terwijl stretch release een maximale oppervlaktekoeling van 5,1 graden Celsius produceerde.

"Door gebruik te maken van tegengestelde richtingen van draaien en oprollen, we hebben vezels ontwikkeld die afkoelen als ze worden uitgerekt, " zei Baughman, de Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry in de School of Natural Sciences and Mathematics. "Dit is vrij ongebruikelijk gedrag, omdat gewone materialen opwarmen wanneer ze worden uitgerekt."

Om de oorsprong van het verkoelende effect in de vislijn te onderzoeken, de onderzoekers wendden zich tot röntgenkristallografie, waardoor ze konden bepalen wat er op moleculair niveau gebeurde toen de twist werd veranderd door een opgerolde vezel uit te rekken.

"We ontdekten dat het vrijgeven van rek van een opgerolde vezel resulteert in een gedeeltelijke omzetting van een fase met lage entropie in een fase met hoge entropie, " zei Liu. "Deze faseverandering veroorzaakt twistocalorische afkoeling."

Potentiële toepassingen

Grote omkeerbare koeling werd ook bereikt door het verwijderen van twist uit nikkel-titanium draden en door bundels van deze draden los te maken. Een maximale oppervlaktekoeling van 17 graden Celsius werd waargenomen toen de onderzoekers een enkele draad losmaakten. Het ontrollen van een vierdraadsbundel zorgde voor een nog hogere koeling van 20,8 graden Celsius.

De onderzoekers plaatsten een drielaagse nikkel-titaniumdraadkabel in een apparaat dat ze bouwden dat een stroom water tot 7,7 graden Celsius koelde wanneer de kabel werd losgemaakt. "Door verdere cycli van twist en twist release te gebruiken, veel hogere koeling kan worden bereikt, ' zei Liu.

In een andere reeks experimenten, ze bedekten de verschillende soorten vezels met thermochrome verf, die van kleur verandert als reactie op temperatuurvariaties die worden geproduceerd door vezels te draaien of opgerolde vezels uit te rekken. Dergelijke vezels kunnen worden gebruikt voor op afstand uitleesbare sensoren voor spanning en verdraaiing, evenals voor van kleur veranderende textiel voor kleding.

"Er zijn veel uitdagingen en kansen op het pad van deze eerste ontdekkingen tot de commercialisering van twist-koelkasten voor diverse groot- en kleinschalige toepassingen, Baughman zei. "Een van de uitdagingen is de noodzaak om verfijnde apparaten en materialen te demonstreren die een toepassingsgerichte levensduur en efficiëntie opleveren door een deel van de ingevoerde mechanische energie terug te winnen. De mogelijkheden omvatten het gebruik van prestatie-geoptimaliseerde twistocalorische materialen, in plaats van de weinige momenteel bestudeerde commercieel beschikbare kandidaten."